前不久，一則中國科學(xué)家挑戰(zhàn)兩大法則提出全新公式的消息，在微生物圈泛起波瀾，引發(fā)關(guān)注。
這是中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院研究員劉陳立帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)多年以大腸桿菌為模式生物，揭秘細(xì)菌大小的決定因素，推導(dǎo)出全新的個(gè)體生長分裂方程，修正了該領(lǐng)域原有的兩大生長法則。
今年5月，這一成果的學(xué)術(shù)論文已由國際學(xué)術(shù)期刊《自然·微生物學(xué)》發(fā)表，其中提到，該成果給合成生物學(xué)領(lǐng)域生命體理性設(shè)計(jì)提供了建構(gòu)基礎(chǔ)原理。那么，這一成果究竟有多大意義，科研團(tuán)隊(duì)在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)法則的過程中又經(jīng)歷了什么，記者采訪了劉陳立團(tuán)隊(duì)。
傳統(tǒng)法則
細(xì)菌，是自然界分布最廣、個(gè)體數(shù)量最多的單細(xì)胞生命體。從發(fā)酵酸奶的乳酸菌，到生產(chǎn)胰島素的大腸桿菌，戶外滾動(dòng)燈箱，可以說，細(xì)菌充斥于人類生活和科學(xué)研究的方方面面。
當(dāng)然，如同人類肉眼可見的其他生物一樣，細(xì)菌也是有大有小的。
劉陳立告訴記者，每種細(xì)菌有著各式各樣的可遺傳繼承的大小，這些微小細(xì)胞的體積有時(shí)可以相差百萬千萬倍：從0.3微米長的專性胞內(nèi)病源菌支原體，到600微米長的刺尾鯛腸道內(nèi)共生菌費(fèi)氏刺骨魚菌，再到生長在納米比亞海邊肉眼可見的1毫米長的納米比亞嗜硫珠菌。
當(dāng)然，較大的細(xì)菌是極少數(shù)的，大多數(shù)已知細(xì)菌的直徑在0.4-2微米之間，長度在0.5-5微米之間。劉陳立說，長期以來，細(xì)菌的大小，一直是細(xì)菌分類學(xué)中一個(gè)不可缺少的性狀，同時(shí)特定的大小使得細(xì)菌更能適應(yīng)其生存環(huán)境。
過去100年來，生物學(xué)家一直想知道，究竟是什么決定了細(xì)胞的大小。在近代，雖然科學(xué)家知道了大部分控制細(xì)菌細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂的分子，文化宣傳欄，但人們?nèi)匀徊恢兰?xì)菌細(xì)胞的大小是如何確定的。
上世紀(jì)50年代，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“細(xì)菌細(xì)胞長得越快，細(xì)胞就越大”。更為重要的是，這一研究突破性地用一個(gè)數(shù)學(xué)公式，描述了細(xì)菌細(xì)胞生長速度和細(xì)胞大小之間的定量關(guān)系。
簡(jiǎn)單來說，只要知道細(xì)胞生長的快慢，就可以準(zhǔn)確推斷出細(xì)胞的大小，反之亦然。這一公式后被稱為“SMK生長法則”。
那么，細(xì)胞大小和生長速度之間，為什么會(huì)存在這樣的關(guān)系?
1968年，另一位科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了他的觀點(diǎn)。這位科學(xué)家認(rèn)為，細(xì)胞的大小，決定了細(xì)胞內(nèi)DNA何時(shí)開始新一輪復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入復(fù)制階段時(shí)，細(xì)胞大小和復(fù)制起點(diǎn)數(shù)的比值是恒定不變的。
后來，這一比值被學(xué)界稱為“起始質(zhì)量”。劉陳立說，由于細(xì)胞是指數(shù)生長，“起始質(zhì)量”及時(shí)間周期恒定，因此分裂時(shí)細(xì)胞的大小，和生長速率的指數(shù)次方成正比。
這一觀點(diǎn)很好地契合了“SMK生長法則”，回答了“細(xì)菌大小是怎么決定的”這一基礎(chǔ)科學(xué)問題，被稱為“恒定起始質(zhì)量假說”。
此后，這兩個(gè)統(tǒng)治了學(xué)術(shù)界半個(gè)世紀(jì)的生長法則環(huán)環(huán)相扣，就像科研道路上的“指路牌”一樣，在這一領(lǐng)域樹立權(quán)威60多年，多年來許許多多的研究，在兩大法則的指引下開展。
一測(cè)三年
當(dāng)然，在過去半個(gè)多世紀(jì)里，有一些研究團(tuán)隊(duì)曾對(duì)這兩個(gè)法則的準(zhǔn)確性提出質(zhì)疑，但由于缺乏系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)論并未引起領(lǐng)域內(nèi)大部分研究人員的重視。
“要想修正主流細(xì)胞生長法則，必須要確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完整的覆蓋度，以及高度的可重復(fù)性。”劉陳立說。
他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心3年多研究，對(duì)兩大法則進(jìn)行了系統(tǒng)性重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
據(jù)此次成果論文的第一作者、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海博士介紹，通常情況下，此類研究會(huì)選取1種或少數(shù)幾種培養(yǎng)基，而他們選擇了超過30種的培養(yǎng)基開展實(shí)驗(yàn)。
“我們采用早晚輪班制，對(duì)細(xì)胞的生長狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保每次取樣都是在細(xì)胞穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。”鄭海告訴記者，在低生長速率條件下，完成一次實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長達(dá)一周，而為確保數(shù)據(jù)可靠，實(shí)驗(yàn)還需要重復(fù)，重復(fù)次數(shù)多的超過9次。
也因此，這次實(shí)驗(yàn)成了迄今為止類似研究工作中，選用培養(yǎng)基種類最多、覆蓋生長速率范圍最廣的一次。
